数据中心不同制冷模式能耗对比研究

目前云计算以及AI技术日益成熟，在海量数据呈爆发式增长的今天，需要数据中心为其保驾护航。2023年底，中国数据中心810万台在用标准机架总耗电量达到1500亿千瓦时，占全社会用电的1.6%。制冷系统节能降耗对数据中心总能耗影响巨大，目前大型数据中心年平均PUE普遍能做到1.5以下。

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研究背景与意义

 

数据中心基础设施能耗巨大，节能降耗将带来显著的经济和社会效益。数据中心制冷系统能耗约占总能耗的20%～30%左右，如何科学有效地降低制冷系统的能耗是数据中心节能的关键。

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数据中心制冷系统简介

 

2.1 数据中心主要制冷系统简介

风冷直膨系统：风冷直膨系统又称为DX系统，主要用于制冷量较小的数据中心。制冷剂一般为氟里昂，单机制冷量10～120kW。室内机将IT设备产生的热量通过冷媒输送至室外机，最终通过室外机冷凝器将热量输送至大气中。风冷直膨空调适用于水源缺乏的地区和无冷却水系统的场所。

冷冻水系统：冷冻水系统主要由冷水机组、板式换热器、冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵及冷冻水型专用空调组成。系统采用集中式冷源，冷水机组制冷效率高。目前大型数据中心常见制冷系统为冷冻水型制冷系统。

数据中心冷冻水型制冷系统一般由冷冻水循环系统、冷却水循环系统以及冷水机组三部分组成。冷水机组（板换）+冷冻水循环泵+末端机房精密空调组成冷冻水循环系统，通过冷冻水将IT设备产生的热量输送至冷水机组；冷水机组（板换）+冷却水循环泵+楼顶冷却塔组成冷却水循环系统，通过冷却水将冷水机组内热量输送至冷却塔，最终通过冷却塔将IT设备产生的热量释放至大气中。

间接蒸发冷却系统：蒸发冷却空调技术是根据水蒸发冷却原理采用直接蒸发冷却或间接蒸发冷却方式（或加以机械辅助制冷）获取冷风的空调技术。间接蒸发冷却系统以自然冷却为主、机械制冷为辅，间接蒸发冷却系统主要运行模式可以分为干模式、湿模式和混合模式三种工作模式。

2.2 某数据中心制冷系统架构简介

该数据中心制冷系统设计2N独立双供、双回容错系统，两侧制冷系统处于热备状态，平时各自承担末端IT负载50%供冷需求，当一侧因重大故障造成供冷中断时，另一侧能瞬时满足末端IT负载100%供冷需求。冷冻水泵、末端冷冻水型机房精密空调、冷冻水管路系统电动阀门均为1路UPS+1路市电供电，保证供冷系统连续可靠运行；当市电断电制冷系统恢复正常运转之前，冷冻水泵和末端机房精密空调依靠UPS供电持续运转，蓄冷罐处于连续放冷状态以维持机房末端IT设备运行所需适宜环境温度。

2.3 制冷模式简介

该数据中心制冷系统可实现三种制冷模式：机械制冷模式（冷水机组单独制冷）、预制冷模式（冷水机组+板式换热器共同制冷）、自然冷却模式（板式换热器单独制冷）。当室外温湿度传感器监测室外湿球温度t>16.5℃（可调，时间长达10min（可调））（此时冷却塔出水温度t>19.5℃）时，采取冷水机组机械制冷模式运行，冷水机组根据回水温度自动调节自身负载以保证冷水机组稳定提供15℃冷冻水；当监测室外湿球温度16.5℃≥t>10.5℃（可调，时间长达10min（可调））（此时冷却塔出水温度19.5℃≥t>13.5℃）时，采取冷水机组+板式换热器预制冷模式运行；当监测室外湿球温度t≤10.5℃（可调，时间长达10min（可调））（此时冷却塔出水温度t≤13.5℃）时，进入板式换热器自然冷却制冷模式。

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能耗对比

 

3.1 设备选型

该数据中心制冷系统主要设备选型，如表1所示。

表1主要设备选型参数表

考虑到该数据中心目前IT负载率较低，末端精密空调开启数量较少，对应能耗占比不高，兼顾项目一期制冷系统不具备过渡季节制冷模式切换条件，借鉴此次研究结果，为一期制冷模式切换时外界温湿度环境条件提供参考依据，本次重点对冷水机组机械制冷与板式换热器自然冷却制冷能耗进行对比分析研究。

3.2 室外环境温度统计分析

表2为2024年11月4～10日，每日平均室外环境温湿度统计结果。

 

表2室外环境温湿度统计表

图1 室外平均干湿球温度变化曲线图

 

由图2可知，室外大部分时间平均湿球温度低于10.5℃，制冷系统具备切换至板式换热器自然冷却制冷模式条件。在满足自然冷却制冷前提下结合现场2N制冷系统架构，西侧采取冷水机组机械制冷模式，东侧采取板式换热器自然冷却制冷模式，分别对其能耗进行对比分析研究。

3.3 能耗统计

西侧冷水机组机械制冷模式每日能耗统计，如表3所示。

 

表3冷水机组机械制冷能耗统计表

说明：

机械制冷模式各设备运行参数设定如下：

冷却塔：当管道温度传感器监测到冷却塔下塔水温度t≥32℃时冷却塔投入运行；监测到下塔水温度t≤30℃时冷却塔退出运行。

 

表5不同制冷模式能耗统计表

图2 冷水机组机械制冷能耗变化曲线图

冷水机组：设定冷水机组冷冻水出水温度15℃，冷水机组自动调节负载率以保证提供稳定15℃冷冻水。

冷却水、冷冻水循环泵：保持最低频率30Hz运行。

东侧板式换热器自然冷却制冷模式每日能耗统计，如表4所示。

 

表4自然冷却制冷能耗统计表

备注：

自然冷却制冷模式各设备运行参数设定如下：

冷却塔：当管道温度传感器监测到冷却塔下塔水温度t≥13.5℃时冷却塔投入运行；监测到下塔水温度t≤11.5℃时冷却塔退出运行。

图4 不同制冷模式能耗变化曲线图

冷却水、冷冻水循环泵：保持最低频率30Hz运行。

东、西侧每日制冷总能耗对比，如表5所示。

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结果分析

 

1）表3结合图3可知，机械制冷模式下冷却水于冷却塔内与室外空气经充分换热，实际下塔水温度低于30℃，冷却塔退出运行期间几乎无能耗损失；但冷水机组随室外环境温度升高，其能耗逐渐增加。

2）表4结合图4可知，板式换热器自然冷却制冷模式下，冷却塔随室外环境温度升高其每日能耗呈递增趋势，相应自然冷却制冷模式下，其能耗也逐渐增加。

3）由表3、表4可知，运行过程中循环泵基本维持定频率30HZ运行，每日能耗变化较小。

4）结合图2室外干湿球温度变化趋势，不同制冷模式每日能耗分别呈增长趋势，其具体变化如图5所示。

5）外界环境适宜条件下，采取板式换热器自然冷却制冷模式能耗远低于冷水机组机械制冷所需能耗，节能约40.57%。

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结语

 

1）由上述分析可知，制冷系统受外界环境温度影响较大：机械制冷模式下，冷却水进冷水机组温度直接影响冷水机组能耗；自然冷却模式下，室外温湿度直接影响冷却塔能耗。

2）结合前期关于不同冷冻水出水温度对冷水机组能耗影响，在不影响末端IT设备正常供冷前提下，适当提高冷冻水出水温度可降低冷水机组能耗，同时可提前将制冷系统调整为自然冷却制冷，以延长自然冷却周期实现制冷系统节能降耗。

 

参考文献

[1]中国信息通信研究院产业与规划所,内蒙古和林格尔新区.中国绿色算力发展研究报告[R].北京:中国信息通信研究院产业与规划所,内蒙古和林格尔新区,2024.

 

来源：数据中心基础设施运营管理